[发明专利]一种熔盐及熔盐的电化学净化方法、电化学装置

说明书

本发明公开了一种熔盐及熔盐的电化学净化方法、电化学装置。该熔盐的电化学净化方法，包括下述步骤：在熔融状态的熔盐中，以氢电极为阳极，在所述氢电极表面，将H₂电解为H⁺，即可；所述阳极中，发生如下电极反应：H₂(g)‑2e+O^2‑→H₂O(g)。该熔盐中氧含量≤230ppm，硫含量≤5ppm，过渡金属元素含量≤8ppm；氧含量还可≤80ppm。本发明采用基于氢电极电解法的工艺对熔盐进行净化处理，仅采用H₂而避免使用剧毒HF或强腐蚀性HCl即可达到脱氧、脱硫、脱过渡金属离子(例如铁、镍)等净化的目的，并可在脱氧净化效率和脱氧净化水平上全面超越传统HF/HCl‑H₂法及电化学方法。

技术领域

本发明涉及一种熔盐及熔盐的净化方法、电化学装置。

背景技术

由碱金属、碱土金属氟化物或氯化物构成的熔盐是熔盐堆(MSR)、聚光太阳能储能系统(CSP)等新能源系统的传热或蓄热工质。这类熔盐工质具有液态工作温度范围宽、蒸汽压低、热导率及比热容高等优点，主要不足是容易吸潮且脱氧困难。如在熔盐堆氟盐冷却剂系统中，微量水分水解生成的HF对结构金属产生腐蚀作用，而O^2-则可能使液态UF₄核燃料形成UO₂沉淀，进而影响熔盐堆的安全运行。基于氯盐的CSP系统也有氧化物带来的材料相容性问题。因此，需要对熔盐进行脱氧净化处理。

现有文献中公开了：

(1)美国(Journal of Nuclear Materials,1974,51(1):149-162)和中国(中国专利201610892250)在MSR研发中均采用HF-H₂工艺对氟盐进行净化，脱氧水平可达到100ppm左右，基本满足熔盐堆对高纯氟盐的使用要求。但该工艺单批次处理时间约为1周，其中采用H₂和HF-H₂交替鼓泡的时间达72h，效率极低。另外，据估算该工艺中的无水HF利用率不到1％，99％以上的HF进入尾气并需碱液吸收处理，造成极大资源浪费。超高纯的无水HF国际售价超过1000美元/Kg，且技术主要由日本垄断。国产工业优级纯无水HF价格相对便宜，但含有微量水、氧、硫等杂质，对HF-H₂净化熔盐的脱氧极限水平有所限制。

(2)氟化氢铵法脱氧处理氟盐速度较HF-H₂法有所提升，但存在着净化水平不够以及设备腐蚀严重等问题(核技术,2014,37(05):50604)。CSP中所使用的氯盐由于HCl的强腐蚀性不宜采用HCl-H₂工艺净化，国内外学者均建议采用活泼金属(如镁)来去除熔盐中的腐蚀性杂质(中国腐蚀与防护学报,2021,41(1):80-86)。但该方法不能脱除氯盐中的O^2-，大量氧化物颗粒(如MgO)可能造成冲刷腐蚀或管道堵塞问题。

通过电化学方法来克服纯化学净化方法的问题是当前该领域的发展趋势。如有文献报道采用SOM脱氧阳极(核技术,2020,43(11):110301)或石墨阳极(核化学与放射化学,2018,40(6):382-387以及Journal of Fluorine Chemistry 175(2015)28–31)电解方式对熔盐进行电解纯化，该公开报道的SOM法40小时电解可脱氧至96ppm但存在SOM电极腐蚀降解的问题；公开报道的石墨阳极电解法，电解20小时仅可脱氧至200ppm。并且，目前这些电化学方法由于电流密度过低，净化时间较长仅适用于实验室小规模(百克级/批次)净化采用，在规模化(百公斤级/批次)制备净化熔盐方面还不能与HF-H₂方法竞争。

因此，如何有效提升电化学方法的熔盐净化效率是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容